KR20030077405A - 가변 캐패시터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20030077405A
KR20030077405A KR10-2003-0018150A KR20030018150A KR20030077405A KR 20030077405 A KR20030077405 A KR 20030077405A KR 20030018150 A KR20030018150 A KR 20030018150A KR 20030077405 A KR20030077405 A KR 20030077405A
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시마노우찌다께아끼
이마이마사히꼬
나까따니다다시
미야시따쯔또무
사또요시오
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후지쓰 메디아 데바이스 가부시키가이샤
후지쯔 가부시끼가이샤
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes

Abstract

소형이며, 용량, 용량 변화의 비율 및 Q값이 크고, 용량의 미세 조정이 가능한 내 충격성이 우수한 가변 캐패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
기판(31)과, 그 기판에 지지된 캐패시터의 고정 전극(38) 및 가동 전극(39)과, 상기 기판에 지지되고 또한 상기 가동 전극을 구동하는 복수의 압전 액추에이터(361-364)와, 상기 고정 전극과 상기 가동 전극 사이에 배치된 유전체층(37)을 구비한다. 캐패시터와 압전 액추에이터를 동일 기판에 지지되도록 형성하기 때문에, 소형이다. 또한, 캐패시터의 고정 전극과 가동 전극 사이에 유전체층이 개재되어 있기 때문에, 용량과, 용량 변화의 비율과 Q값이 모두 커, 용량의 미세 조정이 가능하고 내 충격성이 우수하다.

Description

가변 캐패시터 및 그 제조 방법{TUNABLE CAPACITOR AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 가변 캐패시터에 관한 것으로, 특히, MEMS(Microelectro Mechanical System) 기술을 이용한 가변 캐패시터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
가변 캐패시터는, 가변 주파수 발진기(VFO), 동조 증폭기, 위상 시프터, 임피던스 정합 회로 등을 포함하는 전기 회로에서 중요한 부품으로, 최근 휴대 기기에의 탑재가 늘어나고 있다.
또한, 현재 사용되고 있는 가변 캐패시터의 일종인 버랙터(varactor) 다이오드에 비하여, MEMS 기술에 의해 작성된 가변 캐패시터는, 손실을 작게, Q값을 높게 할 수 있기 때문에, 개발을 서두르고 있다. 이하, 도면을 이용하여 종래의 기술에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1에, Jan Y. Park, et al., "MICROMACHINED RF MEMS TUNABLE CAPACITORS USING PIEZOELECTRIC ACTUATORS", IEEE International MicrowaveSymposium, 2001에 보고되어 있는 가변 캐패시터의 구조 단면도를 도시한다.
이 가변 캐패시터는, 유니몰프형 압전 액추에이터(12)와 가동 전극(13)으로 이루어지는 가동 전극용 기판(11)과, 고정 전극(16)을 배치한 고정 전극용 기판(15)을, 가동 전극(13) 및 고정 전극(16)이 대향하도록 솔더 범프(14)로 접합한 구조이다. 압전 액추에이터(12)를 구동함으로써, 가동 전극(13)과 고정 전극(16)과의 거리를 변화시켜, 용량을 제어한다.
다음으로, 도 2에 Charles L. Goldsmith, et al., "RF MEMs Variable Capacitors for Tunable Filters", Wiley RF and Microwave Computer Aided Design, pp362-374, 1999에 보고되어 있는 가변 캐패시터의 단면도를 도시한다.
기판(17) 상에 절연층을 개재하여, 고정 전극(20), 또한 고정 전극(20) 상에 유전체층(19)을, 또한, 기판(17) 상에 스페이서(18)를 개재하고, 고정 전극(20) 및 유전체층(19)에 대향하여 멤브레인형의 가동 전극(21)이 배치되어 있다. 가동 전극(21)과 고정 전극(20) 사이에 직류 전압을 인가함으로써 발생하는 정전인력에 의해, 멤브레인형의 가동 전극(21)이 유전체층(19)과 접촉한다. 이러한 평행 평판의 간격을 작게 하도록 기능하는 정전인력 F는,
로 표현된다. 여기서, S는 전극의 면적, d는 전극의 간격, εo는 진공 중의 유전율, εr은 전극 간의 비유전률, V는 인가 전압이다. 평행 평판 사이에 유전체층이 존재하는 경우에는, 비유전률과 간격 d 간에는 다음과 같은 관계식이 성립한다.
εdielectric, εair는 유전체층, ddielectric, dair는 유전체층, 공기층의 간격이다.
그러나, 도 1에 도시하는 종래 기술은 다음의 문제점을 갖는다. 가동 전극(13)과 고정 전극(16)의 간격을 솔더 범프(14)로 제어하기 때문에, 간격을 작게 할 수 없어, 압전 액추에이터(12)의 초기 상태의 용량은 작아 진다. 또한, 정전 용량을 크게 하기 위해서, 압전 액추에이터(12)의 변형량을 크게 하여, 가동 전극(13)과 고정 전극(16)의 간격을 작게 하려고 하면 압전 액추에이터(12)의 스프링성이 작아져, 휴대 기기 등에 탑재 할때, 외부로부터의 충격에 의해 가동 전극(13)과 고정 전극(16)이 접촉 및 쇼트되어 파손된다고 하는 문제가 있다. 이 때문에, 압전 액추에이터(12)의 변위를 이용해도 가동 전극(13)과 고정 전극(16)을 근접시킬 수 없어, 용량을 적절하게 조정할 수 없다.
또한, 도 2의 (a), (b)에 도시하는 종래 기술은 다음의 문제점을 갖는다. 상술한 바와 같이, 평행 평판 사이에 유전체층이 존재하는 경우, 유전체층의 존재에 의해 용량은 크게 할 수 있지만, 간격 d가 변화하면 비유전률 εr도 변화한다.이로 인해, 정전인력으로 평행 평판의 간격을 제어하는 것은 어렵고, 결과적으로 가동 전극(21)과 유전체층(19)의 상태는, 떨어진 상태 또는 접촉 상태의 2가지 상태밖에 취할 수 없다. 즉, 용량도 2가지 상태만이 있는 가변 캐패시터만을 형성할 수 있다. 또한, 용량이 작은 가변 캐패시터를 복수 병렬 접속하여, 목적하는 용량을 확보하는 것도 행해지고 있지만, 이 경우, 가변 캐패시터끼리 접속하기 위한 배선의 배선 저항이 커져, Q값(회로의 손실을 나타내는 수치; Q값이 클수록 손실은 작음)이 작아져 버린다.
따라서, 본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하여, 소형이고, 용량, 용량 변화의 비율 및 Q값이 크고, 용량의 미세 조정이 가능한 내충격성이 우수한 가변 캐패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 가변 캐패시터의 단면도
도 2는 다른 종래 기술에 따른 가변 캐패시터의 단면도
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 가변 캐패시터의 분해 사시도
도 4는 본 발명의 제1 실시예에서 이용되는 공통 전극의 사시도
도 5는 도 3에 도시하는 가변 캐패시터의 제조 방법을 도시하는 공정 단면도(그 1)
도 6은 도 3에 도시하는 가변 캐패시터의 제조 방법을 도시하는 공정 단면도(그 2)
도 7은 유니몰프(unimorph)를 설명하기 위한 도면
도 8은 바이몰프(bimorph)를 설명하기 위한 도면
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 캐패시터의 효과를 설명하기 위한 도
도 10은 도 3에 도시하는 가변 캐패시터의 다른 제조 방법을 도시하는 공정 단면도
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가변 캐패시터의 분해 사시도
도 12는 도 11의 XII-XII선 단면도
도 13은 본 발명의 제2 실시예의 변형예에 따른 가변 캐패시터의 분해 사시도
도 14는 도 13에 도시하는 가변 캐패시터의 평면도
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가변 캐패시터의 분해 사시도
도 16은 도 13 및 도 14에 도시하는 가변 캐패시터의 제조 방법을 도시하는 공정 단면도(그 1)
도 17은 도 13 및 도 14에 도시하는 가변 캐패시터의 제조 방법을 도시하는 공정 단면도(그 2)
도 18은 도 13 및 도 14에 도시하는 가변 캐패시터의 다른 제조 방법을 도시하는 공정 단면도
도 19는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가변 캐패시터의 분해 사시도
도 20은 도 19의 XX-XX선 단면도
도 21은 본 발명의 제5 실시예에 따른 가변 캐패시터의 분해 사시도
도 22는 도 21에 도시하는 가변 캐패시터의 평면도
도 23은 본 발명의 제6 실시예에 따른 가변 캐패시터의 분해 사시도
도 24는 도 23에 도시하는 가변 캐패시터의 평면도
도 25는 도 23에 도시하는 가변 캐패시터의 일부분을 확대한 사시도
도 26은 도 23에 도시하는 가변 캐패시터의 제조 방법을 도시하는 단면도
도 27은 본 발명의 제7 실시예에 따른 가변 캐패시터의 분해 사시도
도 28은 도 27에 도시하는 가변 캐패시터의 평면도
도 29는 도 27에 도시하는 가변 캐패시터의 일부분을 확대한 사시도
도 30은 본 발명의 제8 실시예에 따른 가변 캐패시터의 분해 사시도
도 31은 도 30에 도시하는 가변 캐패시터의 일부분을 확대한 사시도
도 32는 도 30에 도시하는 가변 캐패시터의 제조 방법을 도시하는 단면도
도 33은 본 발명의 제9 실시예에 따른 가변 캐패시터의 분해 사시도
도 34는 도 33에 도시하는 가변 캐패시터의 일부분을 확대한 사시도
도 35는 고정 전극을 복수의 층에서 형성한 실시예에 따른 가변 캐패시터의 제조 방법을 도시하는 단면도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
31, 131 : 기판
32, 132 : 절연층
33l-334, 133l-1334, 531-534: 하부 구동 전극
33a-33d, 47, 49, 50, 72, 73, 74, 75 : 패드
341-344, 1341-1344, 541-544: 압전 소자
35l-354, 1351-1354, 55l-554: 상부 구동 전극
361-364, 1361-1364, 561-564: 압전 액추에이터
37, 137, 237, 237A, 57 : 유전체층
38, 138, 238, 52 : 고정 전극
39, 139, 59 : 가동 전극
40, 140 : 개구
41, 48, 58, 70 : 공통 전극
42 : 간극
44, 144, 60 : 희생층
45, 45c, 46, 61 : 에칭 홀
본 발명은, 기판과, 그 기판에 지지된 캐패시터의 고정 전극 및 가동 전극과, 상기 기판에 지지되고 또한 상기 가동 전극을 구동하는 압전 액추에이터와, 상기 고정 전극과 상기 가동 전극 사이에 배치된 유전체층을 구비하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터이다. 캐패시터와 압전 액추에이터를 동일 기판으로 지지되도록 형성하기 때문에, 소형이다. 또한, 캐패시터의 고정 전극과 가동 전극 사이에 유전체층이 개재되어 있기 때문에, 용량과, 용량 변화의 비율과 Q값의 어느쪽도 크고, 용량의 미세 조정이 가능하여 내충격성이 우수하다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 유전체층은 상기 고정 전극과 상기 가동 전극 중 어느 한쪽에 지지되어 있다. 유전체층이 고정 전극에 지지되어있는 구성은 후술하는 제1, 제3 및 제5 실시예로서 예시되고, 유전체층이 가동 전극에 지지되어 있는 구성은 후술하는 제2 및 제4 실시예로서 예시되어 있다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 복수의 압전 액추에이터의 각각은, 한쌍의 전극과 그 사이에 배치된 압전 소자를 포함하여, 상기 기판 상의 공간 내에 위치하고 있다. 압전 액추에이터의 일 구성 예를 특정한 것으로, 예를 들면 후술하는 도 6의 (j)에 도시되어 있다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 복수의 압전 액추에이터의 한쌍의 전극의 한쪽과 상기 가동 전극은, 일체로 구성되어 있다. 예를 들면, 후술하는 하부 구동 전극(331-334)과 가동 전극(39)은 일체로 구성되어 있다(도 4 참조).
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 유전체층은 상기 고정 전극에 부착되고, 또한 공기층을 개재하여 상기 가동 전극과 대향한다. 후술하는 제1, 제3 및 제5 실시예는 이 구성을 구비한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 유전체층은 상기 가동 전극에 부착되고, 또한 공기층을 개재하여 상기 고정 전극과 대향한다. 후술하는 제2 및 제4 실시예는 이 구성을 구비한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 고정 전극은 상기 가동 전극 상을 브릿지하는 부분을 갖고, 그 부분에 부착된 상기 유전체층은 공기층을 개재하여 상기 가동 전극과 대향한다. 예를 들면, 후술하는 제1 실시예(도 3 참조)의 고정 전극(38)은, 가동 전극(39) 상을 브릿지하는 부분을 구비하며, 여기에유전체층(37)이 부착되어 있다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 고정 전극은 상기 가동 전극 상을 브릿지하는 부분을 갖고, 상기 유전체층은 상기 가동 전극 상에 배치되고 또한 공기층을 개재하여 상기 고정 전극과 대향한다. 예를 들면, 후술하는 제2 실시예는 이 구성을 구비한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 고정 전극은 상기 기판 상에 형성된 절연층 상에 형성되고, 상기 유전체층은 상기 고정 전극 상에 배치되고, 상기 가동 전극은 공기층을 개재하여 상기 유전체층과 대향한다. 예를 들면, 후술하는 제3 실시예는 이 구성을 구비한다(도 15 참조). 고정 전극(52)은 절연층(32) 상에 형성되고, 유전체층(57)은 고정 전극(52) 상에 배치되어 있다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 고정 전극은 상기 기판 상에 형성된 절연층 상에 형성되고, 상기 유전체층은 상기 가동 전극에 부착되고, 또한 공기층을 개재하여 상기 고정 전극과 대향한다. 예를 들면, 후술하는 제4 실시예는 이 구성을 구비한다(도 19 참조). 고정 전극(52)은 절연층(32) 상에 형성되고, 유전체층(57)은 가동 전극(59)에 부착되어 있다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 고정 전극은, 상기 기판 상에 배치된 절연층을 개재하여 상기 기판에 지지되어 있다. 후술하는 제3 내지 제5 실시예는 이 구성을 구비한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 압전 액추에이터는 유니몰프형이다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 압전 액추에이터는 바이몰프형이다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 고정 전극 및 상기 가동 전극은 각각, 외부 접속용 패드를 갖고, 그 패드는 상기 기판 상에 배치된 절연층 상에 위치한다. 예를 들면, 후술하는 도 13, 도 14 및 도 21, 도 22에 도시되는 실시예는, 다른 실시예에 비하여 비교적 큰 외부 접속용의 패드를 갖고 있다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 압전 액추에이터는 한쌍의 전극과 그 사이에 배치된 압전 소자를 포함하는 변형부를 복수개 갖고, 상기 한쌍의 전극은 각각 외부 접속용 패드를 갖고, 그 패드는 상기 기판 상에 배치된 절연층 상에 위치한다. 예를 들면, 도 4의 참조 번호 33a-33d가 이 패드에 상당한다. 도 4의 전극(351-354)도 광폭 부분의 패드를 갖는다. 또, 외부 접속용 패드란, 외부와의 접속 배선이 접속되는 것 뿐만아니라, 예를 들면 절연층 상에 형성된 인출 전극(선)이 접속되는 것도 포함한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 복수의 압전 액추에이터의 각각의 한쌍의 전극 중, 한쪽 전극은 상기 가동 전극을 개재하여 공통으로 접속된 전극이다. 이 구성은 예를 들면, 도 4의 전극(41)에 상당한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 복수의 압전 액추에이터의 각각의 한쌍의 전극 중, 한쪽 전극은 개개로 독립된 전극이다. 이 구성은 예를 들면, 도 3의 전극(311-354)에 상당한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 복수의 압전 액추에이터의 각각의 한쌍의 전극 중, 한쪽 전극은 복수의 공통 전극으로 구성되어 있다. 예를 들면, 후술하는 제5 실시예는 2개의 공통 전극을 이용하고 있다(패드(74)를 갖는 전극과, 패드(75)를 갖는 전극).
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 고정 전극은 상기 가동 전극 상을 브릿지하는 브릿지부를 갖고, 그 브릿지부는 상기 가동 전극과 대략 동일 형상이고, 상기 유전체층을 개재하여 상기 가동 전극에 대향한다. 이 구성에 의해, 브릿지부의 길이를 짧게 할 수가 있어, 고정 전극 형성 시에 발생되는 잔류 응력이나, 세정 시에 발생되는 물의 표면장력 등의 영향을 배제할 수가 있어, 정전 용량의 변동이 작고, 수율이 높은 가변 캐패시터를 실현 할 수 있다. 또한, 고정 전극은 압전 액추에이터를 걸치지 않도록 배치하는 것이 가능하게 되어, 기생 용량도 발생하지 않는다. 후술하는 제6 내지 제9 실시예는 이러한 구성을 구비한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 고정 전극은 상기 가동 전극 상을 브릿지하는 브릿지부를 갖고, 그 브릿지부는 상기 가동 전극과 대략 동일 형상이고, 상기 유전체층을 개재하여 상기 가동 전극에 대향하고, 또한 상기 고정 전극은 3개 이상의 지지부를 갖고, 그 지지부가 상기 기판 상에 형성된 절연층 상에 배치된다. 3개 이상의 지지부로 브릿지부를 지지하고 있기 때문에, 이러한 구성으로 얻어지는 효과는 보다 더 현저하게 된다. 후술하는 제7 및 제9 실시예는 이 구성을 구비한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 고정 전극은 상기 가동 전극상을 브릿지하는 브릿지부를 갖고, 그 브릿지부는 상기 가동 전극과 대략 동일 형상이고, 상기 유전체층을 개재하여 상기 가동 전극에 대향하고, 또한 상기 고정 전극에 부착된 상기 유전체층도 상기 가동 전극을 브릿지하도록 형성되어 있다. 유전체층도 가동 전극을 브릿지하도록 기판 상에 형성되어 있기 때문에, 이러한 구성으로 얻어지는 효과는 보다 더 현저하게 된다. 후술하는 제8 및 제9 실시예는 이 구성을 구비한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 고정 전극은 복수의 층을 갖고, 그 복수의 층은 인장 응력이 발생되는 층과 압축 응력이 발생되는 층을 포함한다. 이에 의해, 고정 전극에 발생되는 잔류 응력을 완화 할 수 있다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 유전체층은 산화 베릴륨, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 티탄산바륨, 티탄산마그네슘, 산화 티탄, 유리, 질화 실리콘으로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나로 형성되어 있다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 가동 전극은, 상기 유전체층과 상기 고정 전극 사이 또는 상기 유전체층과 상기 가동 전극 사이에 공기층이 개재되는 상태에서, 상기 고정 전극과 상기 유전체층과 상기 가동 전극이 접한 상태까지의 가동 범위를 갖는다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 유전체층은 상기 고정 전극에 부착되고, 상기 유전체층과 상기 고정 전극은 이들을 관통하는 복수의 홀을 갖는다. 예를 들면, 후술하는 도 10의 (j)의 홀(46)이 이것에 상당한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 유전체층은 상기 고정 전극에부착되고, 상기 가동 전극은 이것을 관통하는 복수의 홀을 갖는 것을 특징으로 한다. 예를 들면, 후술하는 도 18의 (i)의 홀(61)이 이것에 상당한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 가변 캐패시터는 4개의 압전 액추에이터를 구비한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 기판은 개구를 갖고, 그 개구의 위에 상기 고정 전극, 상기 가동 전극, 상기 유전체층 및 상기 압전 액추에이터가 배치되어 있다. 이 개구는 예를 들면, 후술하는 개구(40)이다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터에 있어서, 상기 기판은 개구를 갖고, 그 개구를 걸치도록 절연층이 배치되어 있다. 예를 들면, 제3 내지 제5 실시예는 이 구성을 구비한다.
또한 상기 본 발명의 과제는, 기판에 지지되는 캐패시터의 고정 전극 및 가동 전극을 형성하는 공정과, 상기 기판에 지지되고 또한 상기 가동 전극을 구동하는 압전 액추에이터를 형성하는 공정과, 상기 고정 전극과 상기 가동 전극 사이에 배치된 유전체층을 형성하는 공정과, 상기 고정 전극과 가동 전극 중 어느 한쪽과 유전체층 사이에 간극을 형성하기 위한 희생층을 형성하는 공정과, 상기 희생층을 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터의 제조 방법에 의해 달성할 수 있다. 희생층을 이용함으로써, 상기 고정 전극과 가동 전극의 어느 한쪽과 유전체층 사이에 간극을 형성 할 수 있다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 희생층을 제거하는 공정 전에, 상기 희생층 상에 형성된 층에 에칭 홀을 형성하는 공정을 포함한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 희생층을 형성하는 공정은, 상기 희생층을 상기 가동 전극상에 형성한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 희생층을 형성하는 공정은, 상기 희생층을 상기 유전체층 상에 형성한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 희생층을 제거하는 공정 전에, 상기 희생층 상에 형성된 상기 유전체층 및 상기 고정 전극에 에칭 홀을 형성하는 공정을 포함한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 희생층을 제거하는 공정 전에, 상기 희생층 상에 형성된 상기 가동 전극에 에칭 홀을 형성하는 공정을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 제조 방법은 상기 기판을 에칭하여 적어도 상기 가동 전극과 압전 액추에이터에 대향하는 위치에 개구를 형성하는 공정을 더 포함한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 기판은 실리콘으로 형성되고, 상기 기판을 에칭하는 공정은 에칭 가스로서 6불화유황(SF6)을 이용하고, 상기 개구를 형성하기 위한 마스크로서 레지스트를 이용한 디프 리액티브 이온 에칭(DRIE)에 의한다.
본 발명에 따른 가변 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 상기 기판은 (100)면 또는 (110)면을 갖는 실리콘 기판이고, 상기 기판을 이방성 에칭하여 적어도 상기가동 전극과 압전 액추에이터에 대향하는 위치에 개구를 형성하는 공정을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
(제1 실시예)
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 가변 캐패시터의 분해 사시도이다. 기판(31) 상에 절연층(32)이 배치되어 있다. 기판(31)은 실리콘이나 화합물 반도체등으로 형성되고, 중앙부에 개구(40)를 갖는다. 개구(40)는 절연층(32)에도 연결되어 있다. 캐패시터는 고정 전극(38), 가동 전극(39) 및 고정 전극(38)에 지지된 유전체층(37)을 포함하여 구성된다. 가동 전극(39)은 4개의 압전 액추에이터로 구동된다. 또, 도 3에서는 편의상, 1개의 압전 액추에이터(361)에만 참조 번호를 붙인다. 압전 액추에이터(361)는, 하부 구동 전극(331), 압전 소자(341) 및 상부 구동 전극(361)을 포함한다. 다른 압전 액추에이터도 마찬가지다. 본 명세서에서는 압전 액추에이터(361-364)를 통합하여 압전 액추에이터라고 칭하는 경우가 있으며, 이 경우에는 개개의 압전 액추에이터(361-364)를 변형부라고 칭하는 경우가 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 4개의 압전 액추에이터의 하부 구동 전극(331, 332, 333및 334)과 가동 전극(39)은 1개의 공통 전극(41)으로 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 하부 구동 전극(331, 332, 333및 334)과 가동 전극(39)은 일체로 형성되어 있다. 가동 전극(39)을 개재하여 공통으로 접속된 하부 구동 전극(331, 332, 333및 334)의 각각의 선단부에는 패드(33a, 33b, 33c 및 33d)가 형성되어 있다. 이들 패드(33a-33d)는, 기판(31) 상의 절연층(32) 상에 위치하고 있다. 또, 외부 접속용 패드는, 외부와의 접속 배선이 접속되는 것 뿐만아니라, 예를 들면 절연층 상에 형성된 인출 전극(선)이 접속되는 것도 포함한다. 하부 구동 전극(331, 332, 333및 334) 및 가동 전극(39)은, 기판(31)에 형성된 개구(40) 상에 위치하고 있다. 또, 후술하는 제조 방법의 설명에서 명백해지는 바와 같이, 공통 전극(41)의 뒤쪽에는 절연층이 형성되어 있다.
하부 구동 전극(331, 332, 333및 334) 상에는, 직사각형의 압전 소자(341, 342, 343및 344)가 각각 배치되어 있다. 압전 소자(341, 342, 343및 344)는 예를 들면, PZT(티탄산지르콘산연)계의 압전 재료로, 구동 전계와 직교하는 방향으로 신축하는 특성을 가지고 있다. 직사각형의 압전 소자(341, 342, 343및 344) 상에는, 개개로 독립된 대략 직사각형인 상부 구동 전극(351, 352, 353및 354)이 배치되어 있다. 후술하는 바와 같이, 상부 구동 전극(351, 352, 353, 및 354)과 하부 구동 전극(331, 332, 333및 334) 사이에 전압을 인가하면 압전 소자(341, 342, 343및 344)가 변위하여, 가동 전극(39)이 기판(31)의 수직 방향으로 변위한다.
고정 전극(38)은 참조 번호 38a와 38b의 2곳에서 굴곡하고, 가동 전극(39)을걸치도록 배치되어 있다. 고정 전극(38)의 양측은 절연층(32) 상에 위치한다. 고정 전극(38)의 중앙부 내측면에는 유전체층(37)이 배치되어 있다. 유전체층(37)은, 상부 구동 전극(351, 352, 353및 354)이 둘러싸 형성하는 공간보다 작은 사이즈이다. 고정 전극(38)은 똑바른 판형을 이용하여도 된다. 이 경우에는, 스페이서를 기판(31)의 길이 방향으로 2곳, 가동 전극(39)을 끼우도록 절연층(32) 상에 배치하고, 이 스페이서 상에 고정 전극을 배치한다.
도 6의 (j)는, 도 3의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도이다. 또, 도 5와 도 6은 도 3에 도시하는 가변 캐패시터의 제조 방법을 설명하는 도면이다. 제조 방법은 후술한다. 도 6의 (j)에는, 상기 압전 액추에이터(361)와, 하부 구동 전극(333), 압전 소자(343), 상부 구동 전극(353)으로 구성되는 압전 액추에이터(363)가 도시되어 있다. 압전 액추에이터(361및 363) 및 가동 전극(39)은, 기판(31)에 형성된 개구(40) 상의 공간으로 스스로 일어선다. 다른 압전 액추에이터(362및 364)도 마찬가지이다. 고정 기판(38)에 지지된 유전체층(37)은, 4개의 압전 액추에이터(361-364)로 둘러싸인 공간 내에 위치하고, 간극(42)을 개재하여 가동 전극(39)과 대향하고 있다. 압전 액추에이터(361-364)를 구동함으로써, 가동 전극(39)은 도 6의 (j)에 도시된 상태로부터 유전체층(37)에 접촉하는 위치까지 변위할 수 있다. 이에 의해, 고정 전극(38)과 가동 전극(39)과의 거리가 변화되어, 용량이 변화된다. 고정 전극(38)과 가동 전극(39) 사이에 유전체층(37)이 개재되기 때문에, 유전율도변화하여, 고정 전극(38)과 가동 전극(39) 사이의 용량의 변화는 매우 크다.
도 7은 압전 액추에이터(361)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 압전 액추에이터(361)는, 하부 구동 전극(331)과 압전 소자(341)와 상부 구동 전극(351)으로 이루어지는 유니몰프이다. 압전 소자(341)는 도시하는 화살표 방향으로 분극되어 있다. 하부 구동 전극(331)과 상부 구동 전극(351) 사이에 직류 전압 V를 인가하면, 외팔보(cantilever)인 압전 소자(341)의 고정 전극(38)측이 압전 상수 d31 방향으로 수축되고, 반대측은 팽창된다. 따라서, 압전 액추에이터(361)는 도시된 바와 같이 변형된다. 직류 전압 V를 인가하는 것이 도 4의 패드(33a) 측인 경우, 압전 액추에이터(361)의 반대측(가동 전극(39)과 연결되어 있는 측)이 들어 올려져, 하부 구동 전극(331)과 일체로 구성되는 가동 전극(39)은 유전체층(37) 방향으로 변위한다. 다른 압전 액추에이터(362-364)도 마찬가지로 가동 전극(39)을 들어 올린다. 이에 의해, 가동 전극(39)은 유전체층(37)에 근접한다. 이와 같이 하여, 간극을 조정함으로써 용량을 제어할 수 있다. 또, 가동 전극(39)과 유전체층(37)이 접촉할 때까지, 압전 액추에이터(361-364)를 변형시키더라도, 이들 구동 상부 전극(351-354)과 고정 전극(38)은 접촉하지 않는다.
도 7에 도시하는 구성이 상기와 같이 동작하기 위해서는, 다음의 조건 중 어느 하나를 만족할 필요가 있다. 하부 구동 전극(331)과 상부 구동 전극(351)을 다른 재료로 형성한다(하부 구동 전극(331)을 영율(Young's modulus)이 상대적으로 높은 재료로 형성한다). 예를 들면, 하부 구동 전극(331)을 백금을 포함하는 금속으로 형성하고, 상부 구동 전극(351)을 산화 루테늄(RuO2)으로 형성한다. 또한, 하부 구동 전극(331)과 상부 구동 전극(351)이 동일한 재료인 경우에는, 다른 두께를 갖도록 형성한다(하부 구동 전극(331) 쪽을 두껍게 형성한다). 예를 들면, 하부 구동 전극(331) 쪽을 2∼5배 두껍게 한다. 또한, 상기 수단과는 별도의 수단으로서, 구동 전극과는 다른 층을 하부 구동 전극(331) 또는 상부 구동 전극(351)에 형성한다(하부 구동 전극(331) 측에 형성). 또, 상기 수단들을 병용해도 된다. 후술하는 바와 같이, 제1 실시예에서는 절연층(32) 상에 하부 구동 전극(331)이 형성된 구성을 채용함과 함께, 하부 구동 전극(331)을 백금/탄탈(Pt/Ta)또는 백금/티탄(Pt/Ti)의 적층체로 형성하고, 상부 구동 전극(351)을 산화 루테늄으로 형성하고 있다.
또, 압전 액추에이터(361-364)는 유니몰프에 한정되는 것이 아니고, 도 8의 (a)에 도시하는 병렬 접속형 바이몰프나, 도 8의 (b)에 도시하는 직렬 접속형 바이몰프이어도 된다. 도 8의 (a), (b)에서, 중간 전극(43)의 상하에 도시되는 화살표 방향으로 분극된 압전 소자(341a및 341b)가 배치되어 있다. 압전 소자(341a)에는 하부 구동 전극(331)이 배치되고, 압전 소자(341b)에는 상부 구동 전극(351)이 배치되어 있다. 도시한 바와 같이 직류 전압 V를 인가하면 바이몰프는 변형된다.
도 9는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 유전체층(37)의 두께를 ddielectric으로 하고, 유전체층(37)과 가동 전극(39) 사이에 형성된 공기층의 두께를 dair로 한다. 이 경우, 고정 전극(38)과 가동 전극(39) 사이의 거리 d는 d=ddielectric+dair가 된다. 도 9의 (b)는, 가동 전극(39)을 구동하여 공기층의 두께 dair를 변화시켰을 때의 용량 C[F]의 변화를 나타내는 도면이다. 가동 전극(39)과 고정 전극(38)은 정방형이고, 그 면적을 230μm×230μm로 하였다. 또한, 거리 d를 d=0.75μm로 하고, 공기층의 두께 dair를 dair=0.3μm로 하고, dair/d=0.4로 하였다. 유전체층(37)은 유전 손실이 작은 재료인 알루미나 Al2O3(ε=10)를 이용하였다. 도 9의 (a)에 도시하는 가동 전극(39)은, 도 4의 (b)에 도시하는 치수의 공통 전극(41)으로 형성된 것을 이용하였다. 압전 액추에이터(361-364)는 다음의 구성으로 하였다. 상부 구동 전극(351-354)을 백금으로 형성하고, 두께를 0.5μm으로 하였다. 압전 소자(341-344)를 PZT로 형성하고, 두께를 1.0μm로 하였다. 하부 구동 전극(331-334)을 백금으로 형성하고, 두께를 0.5μm로 하였다. 절연층(32)을 Si3N4로 하고, 두께를 2.0μm로 하였다.
또한, 비교예로서 유전체층(37)을 제거한 경우의 용량 C의 변화도 측정하였다. 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 유전체층(37)을 배치한 가변 캐패시터는 초기 상태(가동 전극(39)이 변위하지 않는 상태)에서 약 1.36pF, 가동 전극(39)이 유전체층(37)에 접한 상태에서 약 10.4pF의 용량을 갖고, 그 비는 약 7.6배, 증가분 ΔC은 약 660% 이다. 이에 비하여, 비교예의 용량 변화는 거의 없음을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 의한 가변 캐패시터는, 매우 큰 용량을 가지며, 또한 용량의 가변 범위는 매우 크다. 또한, 압전 액추에이터(361-364)의 신축으로 가동 전극(39)을 제어하기 때문에, 공기층 dair의 두께를 연속적으로 변화시킬 수 있어, 용량의 미세 조정이 가능하다.
또한, 고정 전극(38), 가동 전극(39), 유전체층(37) 및 압전 액추에이터(361-364)가 동일 기판(31) 상에 형성되어 있기 때문에, 소형이고 저비용이다. 또한, 유전체층(37)은 고정 전극(38)에 지지되어 있기 때문에, 가동부의 질량은 가동 전극(39)의 질량만으로 되어, 내충격성에 우수한 효과도 발휘한다. 또한, 유전체층(37)의 존재에 의해 가동 전극(39)이 고정 전극(38)에 접촉하여 쇼트될 위험성이 없어, 쇼트에 의한 가변 캐패시터의 파손은 일어나지 않는다.
다음으로, 도 5 및 도 6을 참조하여, 상기 가변 캐패시터의 제조 방법을 설명한다. 또, 이하에서는 압전 액추에이터(363)에 주목하여 설명하지만, 다른 압전 액추에이터도 동시에 형성된다. 또한, 도 5 및 도 6은 도 2의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도이다.
먼저, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 실리콘을 재료로 하는 기판(31) 상에, LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)법에 의해, 저응력의 질화 실리콘으로 이루어지는 절연층(32)을 형성한다.
다음으로, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 절연층(32) 상에 포토리소그래피 기술에 의해, pt/Ti(백금/티탄)의 가동 전극(39) 및 하부 구동 전극(333)을 소정 형상으로 동시에 형성한다. Pt/Ti의 두께는 예를 들면 4500Å/500Å이다. 패터닝은 Cl2O2(염소/산소)계 가스를 사용한 RIE로 행한다. 물론, 동시에 다른 하부 구동 전극(331, 332, 334)도 형성된다.
그리고, 도 5의 (c)에 도시한 바와 같이, 스퍼터링법, 졸겔법, MOCVD(Metalorganic CVD)법 또는 레이저박리법 등에 의해, 하부 구동 전극(333) 상에, 니오브산리튬, 티탄산바륨, 티탄산연, 티탄산지르콘산연, 티탄산비스무스 등을 재료로 하는 소정 형상의 압전 소자(343)를 형성한다. 패터닝은 Cl2O2(염소/산소)계 가스를 사용한 RIE로 행한다.
그 후, 도 5의 (d)에 도시한 바와 같이, 산화 루테늄 또는 백금의 상부 구동 전극(353)을 소정 형상으로 형성한 후, 650℃부터 750℃의 온도로 열 처리를 행하여, 도 5의 (e)에 도시한 바와 같이 절연층(32)을 소정 패턴으로 에칭함으로써, 절연층(32) 상에 형성된 하부 구동 전극(333), 압전 소자(343) 및 상부 구동 전극(353)으로 이루어지는 유니몰프형의 압전 액추에이터(363)를 형성한다. 또, 압전 액추에이터(363)는, 절연층(32), 하부 구동 전극(333), 압전 소자(343) 및 상부 구동 전극(353)으로 이루어지는 것으로 정의해도 된다. 또, 상기 열 처리는 압전 소자(343)를 형성한 이후이고, 상부 구동 전극(353)을 형성하기 전에 행하여도 된다.
그리고, 도 6의 (f), (g), (h)에 도시한 바와 같이 레지스트 재료로 이루어지는 희생층(44), 유전체층(37), 고정 전극(38)을 순서대로 형성하고, 도 6의 (i)에 도시한 바와 같이, 희생층(44)을 제거하여, 유전체층(37)과 가동 전극(39) 사이에 간극(42)을 확보한다. 유전체층(37)의 재료로서는, 산화 베릴륨, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 티탄산바륨, 티탄산마그네슘, 산화 티탄, 유리, 질화 실리콘 등이 바람직하다. 또한, 레지스트 재료로서는 폴리이미드계 레지스트(제거는 레지스트 박리액), 산화마그네슘(MgO) 등의 금속 산화물(제거는 아세트산 수용액), PSG(Phosphosilicate Glass) 등의 금속 산화물(제거는 불산계 용액) 등이 있다. 또한, 희생층(44)의 두께는 예를 들면 0.3μm 이다.
마지막으로, 도 6의 (j)에 도시한 바와 같이, 압전 액추에이터(363) 및 가동 전극(39) 하부의 절연층(32) 주변의 기판(31)을 기판(31)측으로부터 RIE(Reactive Ion Etching) 장치에 의해 에칭하여 개구(40)를 형성함으로써, 가동 전극(39) 및 그 하부의 절연층(32)이, 압전 액추에이터(363)를 개재하여 기판(31)에 지지된 구조의 가변 캐패시터를 얻는다. 기판(31)이 실리콘인 경우, 상기 에칭은 디프 RIE로행할 수 있다. 이 경우의 에칭 가스는 SF6(6불화유황)을 이용하고, 개구(40)를 형성하기 위한 마스크는 레지스트이다. 이 경우, 실리콘 기판(31)의 (100)면 또는 (110)면 상에 압전 액추에이터 등을 형성하고, 그 에칭을 이방성 에칭에 의해 행한다. 에칭제는 예를 들면 KOH(수산화칼륨)이고, 마스크 재료는 SiO2, Si3N4, Cr, Au 등으로 형성된다.
상기 제조 방법에서는, 도 5의 (d)에서 행해지는 압전 액추에이터를 위한 열 처리 후에, 희생층(44)이나 고정 전극(38)을 형성하기 때문에, 희생층(44)이나 고정 전극(38)의 재료는, 열 처리 조건에 의존하지 않고 선택할 수 있다. 또한, 상기 설명에서는 가동 전극(39)과 압전 액추에이터의 상부 구동 전극(351-354)을 동시에 형성한 예를 이용하여 설명하였으나, 상부 구동 전극(351-354)만을 형성한 후, 열 처리를 행하고, 그 후, Cu나 Al 등을 재료로 하는 가동 전극(39)을 형성해도 된다. 압전 액추에이터를 위한 열 처리 후에 가동 전극(39)을 형성하기 때문에, 배선 저항을 보다 낮게 할 수 있다.
도 10은 상기 제조 방법의 변형예이다. 변형예에 의한 제조 방법은, 희생층(44)을 보다 효과적으로 제거하는 것을 특징으로 한다. 도 10의 (f)부터 (j)는 도 6의 (f)부터 (j)로 치환한 공정을 나타내고 있다. 도 10의 (f) 단계는, 도 5의 (a)부터 (e)에 도시하는 공정의 다음에 행해진다. 도 10의 (f)에 도시한 바와 같이, 가동 전극(39) 상에, 레지스트 재료로 이루어지는 희생층(44)을 형성한다.
다음으로, 도 10의 (g)에 도시한 바와 같이, 유전체층(37)을 형성한 후, 복수의 에칭 홀(45)을 유전체층(37)에 형성한다. 에칭 홀(45)의 형성은 예를 들면, 유전체층(37)에 마스크를 형성하여, 유전체층(37)을 에칭한다. 예를 들면, 에칭 홀(45)은 매트릭스 형상으로 배열되어 있다. 각 에칭 홀(45)은 동일한 크기이어도 되며, 일부 다른 크기이어도 된다. 도 10의 (g)에 도시하는 예에서는, 중앙 부분의 에칭 홀(45c)이 주변 부분의 에칭 홀(45)보다 큰 직경을 가지고 있다. 이것은, 중앙 부분의 희생층(44)은 주로 에칭 홀(45)을 개재하여 제거되기 때문에, 에칭 홀(45c)의 개구를 비교적 크게 하여, 이 부분의 제거를 효율적으로 행할 수 있도록 하기 위해서이다.
다음으로, 도 10의 (h)에 도시한 바와 같이, 고정 전극(38)을 형성한 후, 도 10의 (g)에서 이용한 마스크와 동일한 패턴의 마스크를 이용하여, 고정 전극(38)에 에칭 홀(45)에 연속하는 에칭 홀(46)을 형성한다. 그리고, 도 10의 (i)에 도시한 바와 같이, 희생층(44)을 제거한다. 이 때, 희생층(44)은 화살표로 나타내는 바와 같이, 측부 뿐만아니라 에칭 홀을 개재하여 제거되기 때문에, 도 6의 (i)의 경우보다 더 효율적이고 또한 효과적으로 희생층(44)을 제거할 수 있다.
마지막으로, 도 10의 (j)에 도시한 바와 같이, 압전 액추에이터(363) 및 가동 전극(39) 하부의 절연층(32) 주변의 기판(31)을, RIE 장치에 의해 기판(31)측으로부터 에칭함으로써, 가동 전극(39) 및 그 하부의 절연층(32)이, 압전 액추에이터(361-364)(보다 더 특정하면, 하부 가동 전극(331-334))를 개재하여기판(31)에 지지되는 구조이고, 고정 전극(38)과 유전체층(37)을 관통하는 매트릭스 형상으로 배열된 홀을 갖는 가변 캐패시터가 얻어진다. 가동 전극(39)은 압전 액추에이터(361-364)를 개재하여 기판(31)에 지지되어 있다고도 할 수 있다.
(제2 실시예)
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 의한 가변 캐패시터의 분해 사시도이다. 또한, 도 12는 도 11의 XII-XII선 단면도이다.
본 실시예는, 유전체층(37)을 가동 전극(39) 상에 형성한 것을 특징으로 한다. 이 점 이외는, 상기 본 발명의 제1 실시예와 마찬가지이다. 가동 전극(39) 상에 유전체층(37)을 배치하기 때문에, 제1 실시예에 비하여 내충격성이 약간 뒤떨어지지만 다른 효과는 마찬가지이다. 제2 실시예의 제조 방법은, 상술한 도 6의 (f)와 (g)의 처리를 반대로 하면 된다. 즉, 도 6의 (f)로 희생층(44)을 형성하는 대신에 유전체층(37)을 형성하며, 도 6의 (g)로 유전체층(37)을 형성하는 대신에 희생층(44)을 형성한다. 그 밖의 제조 공정은 제1 실시예의 제조 공정과 마찬가지이다. 또한, 도 10을 참조하여 설명한 에칭 홀을 이용하는 것도 가능하다. 도 10의 (f)로 희생층(44)을 형성하는 대신에 유전체층(37)을 형성한다. 도 10의 (g)로 유전체층(37)을 형성하는 대신에 희생층(44)을 형성한다. 도 10의 (h)로 고정 전극(38)을 형성하고 에칭 홀(46)을 형성한다. 그 밖의 제조 공정은 제1 실시예의 제조 공정과 마찬가지이다.
도 13은 제2 실시예의 변형예의 사시도, 도 14는 평면도이다. 도면 중, 상술한 구성 요소와 동일한 것에는 동일한 참조 번호를 붙인다.
상술한 제2 실시예에서는 개별의 상부 구동 전극(351-354)을 이용하는 데 비하여, 본 실시예에서는 공통 전극(48)을 이용하고 있다. 이 공통 전극(48)은 압전 소자(341-344) 상에 형성되는 아암(arm)부와, 각 아암부를 연결하는 부분을 갖는다. 또한, 공통 전극(48)은 일체로 형성된 외부 접속용 패드(49)에 접속되어 있다. 패드(49)는 기판(31) 상의 절연층(32) 상에 형성되어 있다. 고정 전극(38)을 사이에 두고 패드(49)와 반대측의 위치에는 패드(50)가 배치되어 있다. 패드(50)도 절연층(32) 상에 형성되어 있다. 패드(50)는 가동 전극(39) 및 압전 액추에이터(361-364)의 하부 구동 전극(331-334)에 접속되어 있다. 또한, 고정 전극(38)의 길이 방향 양측에는 고정 전극(38)을 외부에 접속하기 위한 패드(47)가 형성되어 있다. 상기 구성의 변형예는 제2 실시예와 마찬가지의 작용, 효과를 발휘한다.
또, 공통 전극(48)을 제1 실시예에 적용해도 좋다. 또한, 패드(47, 49, 50)를 제1 실시예에 이용하는 것도 가능하다. 이와 같이 면적이 큰 패드를 이용함으로써 외부 접속을 보다 용이하게 형성 할 수 있다.
(제3 실시예)
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 의한 가변 캐패시터의 분해 사시도이다. 본 실시예는 고정 전극을 기판측에 배치한 것을 하나의 특징으로 한다. 또, 이하의 설명에서는 도 15와 함께 도 17의 (i)를 참조한다. 도 17의 (i)는 도 15의 XVII-XVII선 단면도이다. 도 17은 도 16과 함께, 본 실시예에 의한 가변 캐패시터의 제조 방법을 도시하는 공정 단면도이다.
기판(31) 상에 절연층(32)이 배치되어 있다. 기판(31)은 개구(40)를 갖고, 이것을 걸치도록 절연층(32)이 형성되어 있다. 환언하면, 절연층(32)은 다이어프램 형상으로 배치되어 있다. 이 점이 제1 실시예의 절연층(32)과 다르다. 캐패시터는 고정 전극(52), 가동 전극(59), 및 고정 전극(52)에 지지된 유전체층(57)을 포함한다. 가동 전극(59)은 4개의 압전 액추에이터로 구동된다. 도 17의 (i)에는, 4개의 압전 액추에이터 중, 2개의 압전 액추에이터(561및 563)가 도시되어 있다. 또, 남은 압전 액추에이터를 562과 564로 한다. 압전 액추에이터(561)는, 하부 구동 전극(531), 압전 소자(541) 및 상부 구동 전극(561)을 포함하는 유니몰프형이다. 마찬가지로, 도 17의 (i)에 도시한 바와 같이, 압전 액추에이터(563)는, 하부 구동 전극(533), 압전 소자(543) 및 상부 구동 전극(563)을 포함한다. 하부 구동 전극(533)은 절연층(32)을 개재하여, 기판(31)에 형성된 개구(40)의 상부에 위치하고 있다. 다른 압전 액추에이터(561, 562및 564)도 마찬가지다.
절연층(32) 상에 고정 전극(52)이 배치되어 있다. 고정 전극(52)은 평탄하고, 상술한 고정 전극(38)과는 다르다. 고정 전극(52) 상에는, 유전체층(57)이 배치되어 있다. 공기층을 개재하여 유전체층(57)과 대향하도록 가동 전극(59)이 배치되어 있다. 가동 전극(59)은 공통 전극(58)의 일부이다. 공통 전극(58)은, 상부 구동 전극(551, 552, 553및 554)을 포함하며, 이들 전극은 가동 전극(59)에 연결되어 있다. 상부 구동 전극(551, 552, 553및 554)에 대향하는 위치에, 개별의 하부 구동 전극(531, 532, 533및 534)이 배치되어 있다. 하부 구동 전극(531, 532, 533및 534)과 상부 구동 전극(551, 552, 553및 554) 사이에는 각각, 압전 소자(541, 542, 543및 544)가 배치되어 있다. 하부 구동 전극(531, 532, 533및 534)은 폭이 넓은 패드 부분이 절연층(32) 상에 형성되어 있다.
본 발명의 제3 실시예는, 상술한 본 발명의 제1 실시예와 마찬가지로 동작한다. 하부 구동 전극(531-534)과 상부 구동 전극(551-554) 사이에 전압을 거는 것으로, 인가되는 전압의 크기에 따라서 압전 소자(541-544)는 d31 방향으로 수축된다. 이와 함께 가동 전극(59)은 고정 전극(52)쪽으로 이동하여, 가동 전극(59)과 고정 전극(52) 사이의 거리가 변화한다. 이 때, 유전체층(57)이 사이에 개재되기 때문에 유전율도 변화하고, 가동 전극(59)과 고정 전극(52) 사이의 정전 용량은 크게 변화한다.
본 발명의 제3 실시예에 의한 가변 캐패시터는, 상당히 큰 용량을 갖고, 용량의 가변 범위 또한 매우 크다. 또한, 압전 액추에이터(561-564)의 신축으로 가동 전극(59)을 제어하기 때문에, 상술한 공기층 dair의 두께를 연속적으로 변화시킬 수 있어, 용량의 미세 조정이 가능하다. 특히, 가동 전극(59)이 유전체층(57)에 근접함에 따라서 용량의 변화가 커지며, 이 부근에서의 Q값은 특히 크다.
또한, 고정 전극(52), 가동 전극(59), 유전체층(57) 및 압전액추에이터(561-564)가 동일 기판(31) 상에 형성되어 있으므로, 소형이고 저비용이다. 또한, 유전체층(57)은 고정 전극(52)에 지지되어 있기 때문에, 가동부의 질량은 가동 전극(59)의 질량만으로 되고 내충격성에 우수한 효과도 발휘한다. 덧붙여, 유전체층(57)의 존재에 의해 가동 전극(59)이 고정 전극(52)에 접촉하여 쇼트될 위험성이 없어, 쇼트에 의한 가변 캐패시터의 파손은 일어나지 않는다.
다음으로, 도 16 및 도 17을 참조하여, 상기 제3 실시예에 의한 가변 캐패시터의 제조 방법을 설명한다. 또, 이하에서는 압전 액추에이터(563)에 주목하여 설명하지만, 다른 압전 액추에이터도 동시에 형성된다. 또한, 도 16 및 도 17은 도 15의 XVII-XVII선 단면도이다.
먼저, 도 16의 (a)에 도시한 바와 같이, 실리콘을 재료로 하는 기판(31) 상에, 질화 실리콘 또는 산화 실리콘의 절연층(32)을 형성한다. 다음으로, 도 16의 (b) 및 (c)에 도시한 바와 같이, 절연층(32) 상에 포토리소그라피 기술에 의해, 소정 형상의 고정 전극(52) 및 유전체층(57)을 형성한다.
그리고, 도 16의 (d)에 도시한 바와 같이, 레지스트 재료로 이루어지는 희생층(60)을 전면에 형성한 후, 도 16의 (e), 도 17의 (f), (g)에 도시한 바와 같이, 하부 구동 전극(531), 압전 소자(541), 상부 구동 전극(551)으로 이루어지는 유니몰프형의 압전 액추에이터(563)를 형성한다. 물론, 다른 압전 액추에이터(561, 562및 564)도 동시에 형성된다. 또한, 가동 전극(59)도 이 때 형성된다.
그리고, 도 17의 (h)에 도시한 바와 같이, 희생층(60)을 제거하여, 유전체층(57)과 가동 전극(59) 사이에 공간을 확보하여, 압전 소자(541-544)의 열 처리를 행한다.
마지막으로, 도 17의 (i)에 도시한 바와 같이, 압전 액추에이터(561-564) 및 가동 전극(59) 하부의 절연층(32) 주변의 기판(31)을, 기판(31)측으로부터 RIE 장치에 의해 에칭함으로써, 고정 전극(52) 및 그 하부의 절연층(32)을 다이어프램 형상으로 함으로써 목적하는 가변 캐패시터를 얻는다.
제1 실시예와 마찬가지로, 도시는 하지 않지만, 가동 전극(59)과 유전체층(57)이 접촉할 때까지, 압전 액추에이터(561-564)를 변형시키더라도, 이들의 상부 구동 전극(551-554)과 고정 전극(52)은 접촉하지 않도록 구성되어 있다.
도 18은 상기 제조 방법의 변형예이다. 변형예에 의한 제조 방법은, 희생층(60)을 보다 효과적으로 제거하는 것을 특징으로 한다. 도 18의 (f)부터 (i)는 도 17의 (f)부터 (i)로 치환되는 공정을 나타내고 있다. 도 18의 (f) 단계는, 도 17의 (a)부터 (e)에 도시하는 공정의 다음에 행해진다. 도 18의 (f)에 도시한 바와 같이, 희생층(60) 상에 하부 구동 전극(533)과 압전 소자(543)를 형성한다. 다음으로, 도 18의 (g)에 도시한 바와 같이, 상부 구동 전극(553)과 가동 전극(59)을 형성하고, 가동 전극(59)에 예를 들면 매트릭스 형상으로 배치된 에칭 홀(61)을 형성한다.
그리고, 도 18의 (h)에 도시한 바와 같이, 희생층(60)을 제거하여, 유전체층(57)과 가동 전극(59) 사이에 공간을 확보하고, 압전 소자(541-544)의 열 처리를 행한다. 희생층(60)의 제거는, 측부 뿐만아니라 에칭 홀(61)이 개재되어도 행해지기 때문에, 희생층(60)을 효율적 및 효과적으로 제거 할 수 있다. 마지막으로, 도 18의 (i)에 도시한 바와 같이, 압전 액추에이터(561-564) 및 가동 전극(59) 하부의 절연층(32) 주변의 기판(31)을, 기판(31)측에서 RIE 장치에 의해 에칭함으로써, 고정 전극(52) 및 그 하부의 절연층(32)을 다이어프램 형상으로 함으로써 목적하는 가변 캐패시터를 얻는다.
(제4 실시예)
도 19는 본 발명의 제4 실시예에 의한 가변 캐패시터의 분해 사시도이다. 또한, 도 20은 도 19의 XX-XX선 단면도이다.
본 실시예는, 유전체층(57)을 가동 전극(59)의 내측면 상에 형성한 것을 특징으로 한다. 이 점 이외는 상기 본 발명의 제3 실시예와 마찬가지이다. 가동 전극(59) 상에 유전체층(57)을 배치하였기 때문에, 제3 실시예에 비하여 내충격성이 약간 뒤떨어지지만, 다른 효과는 마찬가지다. 제4 실시예의 제조 방법은, 희생층(60)을 먼저 형성하고, 다음에 유전체층을 형성하도록 도 16 및 도 17의 공정을 변경하면 된다.
(제5 실시예)
도 21은 본 발명의 제5 실시예에 의한 가변 캐패시터의 분해 사시도, 도 22는 도 21에 도시하는 가변 캐패시터의 평면도이다. 도 21 및 도 22 중, 상술한 구성 요소와 동일한 것에는 동일한 참조 번호를 붙인다.
본 실시예는, 고정 전극(52)이 기판측에 위치하고 있는 타입이다. 공통 전극(70)은, 가동 전극(59), 상부 구동 전극(551-554) 및 외부 접속용 패드(72, 73)를 갖는다. 패드(72, 73)는 가동 전극(59)에 대하여 점 대칭(또는 가동 전극(59)의 대각선상)으로 배치되어 있다. 4개의 압전 액추에이터의 하부 구동 전극은 패드(74)를 갖는 공통 전극과, 패드(75)를 갖는 공통 전극으로 형성되어 있다. 패드(74)를 갖는 공통 전극은 2개의 하부 구동 전극을 갖는다. 이 중 한쪽은 기판(31)의 길이 방향으로 똑바로 신장되고, 도중에서 폴디드되는 형상이고, 다른 쪽은 L자형으로 굴곡되어 기판(31)의 짧은변 방향으로 똑바로 연장되어 있다. 마찬가지로, 패드(75)를 갖는 공통 전극은 2개의 하부 구동 전극을 갖는다. 이 중 한쪽은 기판(31)의 길이 방향으로 똑바로 신장되고, 도중에서 폴디드되는 형상이고, 다른 쪽은 L자형으로 굴곡되어 기판(31)의 짧은변 방향으로 똑바로 연장되어 있다. 패드(74 및 75)는, 가동 전극(59)의 다른 쪽 대각선상에 배치되어 있다. 유전체층(57)은 고정 전극(52) 상에 배치되어 있다.
도 21 및 도 22에 도시되는 가변 캐패시터는, 도 15에 도시되는 가변 캐패시터에 비해 패드의 폭이 넓기 때문에, 외부와의 접속을 보다 용이하게 행할 수 있는 부가적인 효과를 발휘한다. 또, 도 21 및 도 22의 제조 방법은 도 16, 도 17 및 도 18을 변형하면 되는 것은 당 업자에게 자명하기 때문에, 여기서는 설명을 생략한다.
(제6 실시예)
도 23은 본 발명의 제6 실시예에 의한 가변 캐패시터의 분해 사시도, 도 24는 이 가변 캐패시터의 평면도, 및 도 25는 도 23에 도시하는 가변 캐패시터의 일부를 확대한 사시도이다.
본 실시예의 가변 캐패시터는, 기판(131), 4개의 압전 액추에이터(1361∼1364), 가동 전극(139), 유전체층(137) 및 고정 전극(138)을 갖는다. 고정 전극은 가동 전극(139)을 브릿지하는 부분(이하 브릿지부라고 함)(138a)을 갖고, 이 브릿지부(138a)는 가동 전극(139)과 대략 동일 형상이고, 유전체층(137)을 개재하여 가동 전극(139)에 대향하도록 배치되어 있다. 환언하면, 고정 전극(138)의 브릿지부(138a)는 가동 전극(139)에만 대향된다. 고정 전극(138)의 지지부(138b)는 압전 액추에이터(1361∼1364)가 연장되는 방향에 대하여 기울어진 방향으로 배치되며, 가동 전극(139)의 대응하는 1변을 따라 배치되어 있다. 브릿지부(138a)는 패드부(138c)(브릿지부(138a)의 지지부이기도 함)에 대하여 비스듬히 배치되어 있다. 가동부(138a)는 압전 액추에이터(1361∼1364)의 어느것도 걸치고 있지 않다.
상기 구성의 고정 전극(138)을 이용함으로써, 이하의 문제점을 배제 할 수 있다. 브릿지부가 길게, 가동 전극 이외의 부분도 브릿지하도록 형성되어 있으면, 고정 전극 형성 시에 발생하는 잔류 응력이나, 세정 후의 건조 시의 표면장력(물이나 용액) 등의 영향을 쉽게 받는다. 이 때문에, 브릿지부는 가동 전극측이나 그 반대로 변형되어, 가동 전극과 고정 전극과의 간격을 일정하게 유지할 수 없게 되어, 형성하는 정전 용량의 값에 변동이 많아져, 수율이 낮아질 가능성이 있다. 특히, 고정 전극에 잔류 응력으로서 인장 응력이 남는 경우나, 물의 표면장력에 의해 고정 전극이 가동 전극측으로 변형되면, 압전 액추에이터를 형성하는 상부 구동 전극과 고정 전극의 간격이 좁아져, 접촉됨으로써, 압전 액추에이터, 가동 전극 혹은 고정 전극이 파손에 이를 가능성도 있다. 나아가서는, 고정 전극이 압전 액추에이터 상을 걸치고 있으면, 고정 전극과 압전 액추에이터의 전극 사이에 기생 용량이 발생한다.
이에 비하여, 상기 고정 전극(138)은 가동 전극을 걸치고 있는 브릿지부(138a)의 길이가 짧기 때문에, 브릿지부(138a)는 높은 강도를 갖는다. 이에 따라, 고정 전극 형성 시에 발생되는 잔류 응력이나, 세정 시에 발생되는 물의 표면장력 등의 영향을 배제함으로써, 정전 용량의 변동이 작고, 수율이 높은 가변 캐패시터를 실현할 수 있다. 또한, 고정 전극(138)은 압전 액추에이터(1361∼1364)를 걸치지 않기 때문에, 기생 용량도 발생하지 않는다.
또, 제6 실시예의 그 밖의 각부는 다음과 같이 구성되어 있다. 유전체층(137)은 브릿지부(138a)에 부착되어 있다. 가동 전극(139)의 이면에는, 기판(131)에 형성된 개구(140)가 배치되어 있다(도 25). 압전 액추에이터(1361)는, 하부 구동 전극(1331), 압전 소자(1341), 및 상부 구동 전극(1351)으로 형성되어 있다. 마찬가지로, 그 밖의 압전 액추에이터(1362, 1363, 1364)도 각각, 하부 구동 전극(1332, 1333, 1334), 압전 소자(l342, 1343, 1344), 및 상부 구동 전극(1353, 1353, 1354)으로 형성되어 있다. 가동 전극(139)과 하부 구동 전극(1331∼1334)은 일체로 형성된 공통 전극이다. 공통 전극은 기판(131) 상의 절연층(132) 상에 형성된 외부 접속용 패드(139a 및 139b)를 갖는다. 상부 구동 전극(1351∼1354)도 일체로 형성되고, 외부 접속용 패드(148a)를 갖는다.
도 26은, 도 23∼도 25에 도시하는 가변 캐패시터의 제조 방법을 설명하는 단면도이고, 가변 캐패시터의 짧은변 방향으로 평행하게 가변 캐패시터를 분할한 경우의 단면을 도시한다. 도 26의 (e)∼(j)는, 상술한 도 5의 (a)∼(d)에 연속하는 것이다. 또, 도 26의 (e)∼(j)에서는, 도면을 간결히 하기 위해서, 압전 액추에이터의 도시를 생략하고 있다. 또한, 프로세스 조건이나 재료 등 상술한 제조 방법에서 설명한 사항은 이하의 설명에서는 생략한다.
도 26의 (e)에서는, 가동 전극(139)을 절연층(132) 상에 형성한다. 절연층(132)은 패터닝으로 형성된 홈(143)을 갖는다. 가동 전극(139)은 이 홈(143)으로 둘러싸인 절연층(132) 상에 형성된다.
다음으로, 도 26의 (f)에 도시한 바와 같이, 희생층(144)을 가동 전극(139) 상에 형성한다. 이 때, 희생층(144)은 홈(143) 내에도 형성된다.
다음으로, 도 26의 (g)에 도시한 바와 같이, 희생층(144) 상에 유전체층(137)을 형성한다.
다음으로, 도 26의 (h)에 도시한 바와 같이, 유전체층(137) 및 절연층(132) 상에 고정 전극(138)을 형성한다.
다음으로, 도 26의 (i)에 도시한 바와 같이, 기판(131)을 에칭하여 가동 전극(139)의 밑에 개구(140)를 형성한다.
마지막으로, 도 26의 (j)에 도시한 바와 같이, 희생층(144)를 제거한다.
또, 도 26의 (g)와 (h) 공정에서, 도 10의 (g)와 (h)에서 설명한 복수의 에칭 홀과 마찬가지의 에칭 홀을 형성하는 것이 바람직하다. 에칭 홀을 형성함으로써, 도 26의 (j) 공정에서, 희생층(144)을 보다 효과적이고 또한 효율적으로 제거 할 수 있다.
(제7 실시예)
도 27은 본 발명의 제7 실시예에 의한 가변 캐패시터의 분해 사시도, 도 28은 이 가변 캐패시터의 평면도, 및 도 29는 도 27에 도시하는 가변 캐패시터의 일부를 확대한 사시도이다. 도면 중, 도 23∼도 25에 도시하는 구성 요소와 동일한 것에는 동일한 참조 번호를 붙인다.
본 실시예의 가변 캐패시터는, 기판(131), 4개의 압전 액추에이터(1361∼1364), 가동 전극(139), 유전체층(137) 및 고정 전극(238)을 갖는다. 고정 전극(238)의 구성이, 전술한 제6 실시예와는 다르다. 고정 전극(238)은 브릿지부(238a), 지지부(238b) 및 패드부(238c)(브릿지부(238a)의 지지부이기도 함)외에 지지부(238d 및 238e)를 갖는다. 브릿지부(238a)는, 지지부(238b, 238c,238d 및 238e)의 4곳에서, 기판(131) 상의 절연층(132) 상에 지지되어 있다. 이들 지지부(238b∼238e)는, 가동 전극(139)의 4개의 변을 따라 배치되어 있다. 이와 같이, 고정 전극(238)은 도 23∼25에 도시하는 고정 전극(138)에 지지부(238d 및 238e)를 배치한 구성이다. 브릿지부(238a)는 4곳에서 지지되어 있기 때문에, 보다 높은 강도를 얻을 수 있다. 또, 브릿지부(238a)의 지지는 4곳에 한정되는 것이 아니고, 3곳이나 5곳 이상이어도 된다.
(제8 실시예)
도 30은 본 발명의 제8 실시예에 의한 가변 캐패시터의 분해 사시도, 도 31은 이 가변 캐패시터의 일부를 확대한 사시도이다. 도면 중, 도 23∼도 25에 도시하는 구성 요소와 동일한 것에는 동일한 참조 번호를 붙인다.
본 실시예의 가변 캐패시터는, 기판(131), 4개의 압전 액추에이터(1361∼1364), 가동 전극(139), 유전체층(237) 및 고정 전극(138)을 갖는다. 유전체층(237)의 구성이, 상술한 제6 실시예의 유전체층(137)과는 다르다. 유전체층(237)은, 고정 전극(138)의 브릿지부(138a)와 마찬가지로 가동 전극(139)을 브릿지하는 구성이다. 유전체층(237)은, 대향하는 2변에 지지부(237a 및 237b)를 갖는다. 지지부(237a, 237b)는 기판(131) 상에 배치되고, 기판(131) 상에 지지되어 있다. 이에 의해, 브릿지부(138a)의 강도를 보다 더 높일 수 있다.
도 32는 도 30∼도 31에 도시하는 가변 캐패시터의 제조 방법을 설명하는 단면도이고, 가변 캐패시터의 짧은변 방향으로 평행하게 가변 캐패시터를 분할한 경우의 단면을 도시한다. 도 32의 (e)∼(j)는, 상술한 도 5의 (a)∼(d)에 계속되는 것이다. 또, 도 32의 (e)∼(j)에서는, 도면을 간결히 하기 위해서, 압전 액추에이터의 도시를 생략하고 있다. 또한, 프로세스 조건이나 재료 등의 설명에서, 상술한 제조 방법에서 설명한 사항은 이하의 설명에서는 생략한다.
도 32의 (e)에서는, 가동 전극(139)을 절연층(132) 상에 형성한다. 절연층(132)은 패터닝으로 형성된 홈(143)을 갖는다. 가동 전극(139)은 이 홈(143)으로 둘러싸인 절연층(132) 상에 형성된다.
다음으로, 도 32의 (f)에 도시한 바와 같이, 희생층(144)을 가동 전극(139) 상에 형성한다. 이 때, 희생층(144)은 홈(143) 내에 형성된다. 홈(143)은 희생층(144)을 형성해도 개구가 존재할 정도의 크기이다.
다음으로, 도 32의 (g)에 도시한 바와 같이, 희생층(144) 상에 유전체층(237)을 형성한다. 유전체층(237)의 측부는 개구(143) 내에 들어가 절연층(132)에 접하고 있다.
다음으로, 도 32의 (h)에 도시한 바와 같이, 유전체층(237) 및 절연층(132) 상에 고정 전극(138)을 형성한다.
다음으로, 도 32의 (i)에 도시한 바와 같이, 기판(131)을 에칭하여 가동 전극(139)의 밑에 개구(140)를 형성한다.
마지막으로, 도 32의 (j)에 도시한 바와 같이, 희생층(144)을 제거한다.
또, 도 32의 (g)와 (h) 공정에서, 도 10의 (g)와 (h)에서 설명한 복수의 에칭 홀과 마찬가지의 에칭 홀을 형성하는 것이 바람직하다. 에칭 홀을 형성함으로써, 도 32의 (j) 공정에서, 희생층(144)을 보다 효과적이고 또한 효율적으로 제거 할 수 있다.
(제9 실시예)
도 33은 본 발명의 제9 실시예에 의한 가변 캐패시터의 분해 사시도, 도 34는 이 가변 캐패시터의 일부를 확대한 사시도이다. 도면 중, 도 27∼도 29에 도시하는 구성 요소와 동일한 것에는 동일한 참조 번호를 붙인다.
본 실시예의 가변 캐패시터는, 기판(131), 4개의 압전 액추에이터(1361∼1364), 가동 전극(139), 유전체층(237A) 및 고정 전극(238)을 갖는다. 유전체층(237)의 구성이, 상술한 제7 실시예의 유전체층(137) 및 제8 실시예의 유전체층(237)과는 다르다. 유전체층(237A)은, 유전체층(237)의 2변에 지지부(237c 및 237d)를 배치한 구성이다. 이에 의해, 유전체층(237A)은, 4곳에서 기판(131) 상에 지지된 브릿지 구성을 갖는다. 고정 전극(238) 및 유전체층(238)과도 4곳에서 기판(131) 상에 지지되어 있기 때문에, 브릿지부의 강도를 보다 더 높일 수 있다. 또, 유전체층(237A)을 변형하여 3곳이나 5곳 이상에서 지지하는 구성으로 하는 것도 가능하다.
(그 밖의 실시예)
상기 각 실시예의 고정 전극은 단층 구성이다. 고정 전극은 단층 구성에 한정되는 것이 아니고, 복수의 층으로 구성되는 것이어도 된다. 박막은, 성막 방법이나 성막 조건으로 잔류 응력이 크게 변화된다. 인장 응력을 발생하는 층과 압축응력을 발생하는 층을 적층함으로써 고정 전극의 잔류 응력을 완화시켜, 고정 전극과 가동 전극과의 간격의 변동을 억제할 수 있다.
도 35는, 상술한 제6 실시예의 고정 전극(138)을 2개의 층(1381및 1382)의 2층으로 구성한 가변 캐패시터의 제조 방법을 나타내는 도면이다. 도 35의 (h) 공정에서, 2개의 층(1381및 1382)을 이 순으로 형성한다. 2개의 층(1381및 1382)은 모두 도체층이어도 되며, 도체층과 절연층이어도 된다. 일반적으로, Cu, Al, Ti, Cr, Mo, Ni, Au, Pt 등은 인장 응력, SiO2, Al2O3, Ru, Ta 등은 압축 응력이 발생하기 쉽다. 이들 인장 응력의 막과 압축 응력의 막을 조합하여, 적절하게 막 두께를 바꿔, 고정 전극 전체적으로 잔류 응력이 완화되도록 설정한다.
도 35의 (h)의 일례로서, 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여, 전극 1kW, 가스압 0.64Pa로, Cu(1μm)와 SiO2(0.3μm)를 적층하여, 고정 전극(138)을 형성한다.
또, 3층 이상으로 고정 전극을 형성해도 된다. 도전층이 1층, 나머지가 절연층 등, 전체적으로 잔류 응력을 완화하도록, 적절하게 층의 재료를 선택한다.
또한, 가령 고정 전극이 1층 구성이어도, 이것에 부착되는 유전체층을 포함한 브릿지부 전체에서 잔류 응력을 완화시킬 수도 있다. 예를 들면, 도 26의 고정 전극(138)을 Cu(인장 응력)로 형성하고, 유전체층(137)을 Al2O3(압축 응력)으로 형성하면, 브릿지부 전체의 잔류 응력을 완화 할 수 있다.
또, 도 35의 구성 이외의 각 실시예에서 이용되고 있는 고정 전극을 상기와 같이 잔류 응력 완화의 관점에서 복수의 층에서 형성해도 된다.
고정 전극을 적층 구조로 함으로써, 고정 전극의 막 두께를 두껍게 하는 것이 가능하기 때문에, 브릿지부의 강도를 높이는 것이 가능하게 되고, 동시에 재료의 선택 범위를 넓게 하는 것도 가능하게 된다. 나아가서는, 배선의 저저항화에도 이어지고, Q값의 향상도 가능하게 된다.
이상, 본 발명의 실시예 및 그 변형예를 설명하였다. 본 발명은 상기 실시예나 변형예에 한정되는 것이 아니고, 다른 여러가지 실시예나 변형예를 포함하는 것이다. 예를 들면, 상기 실시예나 변형예에서는, 가동 전극과 유전체층 사이의 간극이 좁아지도록 압전 액추에이터를 구동하는 구성이었다. 이 구성과는 반대로, 가동 전극과 유전체층 사이의 간극이 넓어지도록(정전 용량이 작아지는 방향으로) 압전 액추에이터를 구동하는 구성이어도 된다. 이 경우에는, 예를 들면 도 7에 도시하는 유니몰프형의 압전 액추에이터가 변형하는 방향이 도 7의 변형 방향과 반대로 되도록 하면 된다. 즉, 분극 방향을 반대로 하고, 인가하는 전압 V를 역극성으로 하면 된다.
또한, 상기 제1 내지 제9 실시예의 가변 캐패시터를 세라믹스 등의 패키지에 수용해도 된다. 패키지에 배치된 외부 접속 단자와 기판(31)에 배치된 패드를, 와이어나 범프 등의 접속 수단으로 접속한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 소형이고, 용량, 용량 변화의 비율 및 Q값이 크고, 용량의 미세 조정이 가능한 내충격성에 우수한 가변 캐패시터 및 그 제조 방법을 제공 할 수 있다.

Claims (38)

  1. 기판과, 상기 기판에 지지된 캐패시터의 고정 전극 및 가동 전극과, 상기 기판에 지지되며 상기 가동 전극을 구동하는 복수의 압전 액추에이터와, 상기 고정 전극과 상기 가동 전극 사이에 배치된 유전체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은 상기 고정 전극과 상기 가동 전극 중 어느 한쪽에 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 압전 액추에이터의 각각은, 한쌍의 전극과 그 사이에 배치된 압전 소자를 포함하며, 상기 기판 상의 공간 내에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 압전 액추에이터의 한쌍의 전극의 한쪽과 상기 가동 전극은, 일체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은 상기 고정 전극에 부착되며, 공기층을 개재하여 상기 가동 전극과 대향하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은 상기 가동 전극에 부착되며, 공기층을 개재하여 상기 고정 전극과 대향하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정 전극은 상기 가동 전극 상을 브릿지하는 부분을 갖고, 그 부분에 부착된 상기 유전체층은 공기층을 개재하여 상기 가동 전극과 대향하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고정 전극은 상기 가동 전극 상을 브릿지하는 부분을 갖고, 상기 유전체층은 상기 가동 전극 상에 배치되며 공기층을 개재하여 상기 고정 전극과 대향하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고정 전극은 상기 기판 상에 형성된 절연층 상에 형성되며, 상기 유전체층은 상기 고정 전극 상에 배치되고, 상기 가동 전극은 공기층을 개재하여 상기 유전체층과 대향하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고정 전극은 상기 기판 상에 형성된 절연층 상에 형성되며, 상기 유전체층은 상기 가동 전극에 부착되며, 공기층을 개재하여 상기 고정 전극과 대향하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 고정 전극은 상기 기판 상에 배치된 절연층을 개재하여 상기 기판에 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 액추에이터는 유니몰프(unimorph)형인 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 액추에이터는 바이몰프(bimorph)형인 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 고정 전극 및 상기 가동 전극은 각각, 외부 접속용의 패드를 갖고, 상기 패드는 상기 기판 상에 배치된 절연층 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 압전 액추에이터는 한쌍의 전극과 그 사이에 배치된 압전 소자를 포함하는 변형부를 복수개 갖고, 상기 한쌍의 전극은 각각 외부 접속용의 패드를 갖고, 상기 패드는 상기 기판 상에 배치된 절연층 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 압전 액추에이터의 각각의 한쌍의 전극 중, 한쪽 전극은 상기 가동 전극을 개재하여 공통으로 접속된 전극인 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 압전 액추에이터의 각각의 한쌍의 전극 중, 한쪽 전극은 개개로 독립된 전극인 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 압전 액추에이터의 각각의 한쌍의 전극 중, 한쪽 전극은 복수의 공통 전극으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 고정 전극은 상기 가동 전극 상을 브릿지하는 브릿지부를 갖고, 상기 브릿지부는 상기 가동 전극과 대략 동일 형상이고, 상기 유전체층을 개재하여 상기 가동 전극에 대향하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 고정 전극은 상기 가동 전극 상을 브리지하는 브릿지부를 갖고, 상기 브릿지부는 상기 가동 전극과 대략 동일 형상이며 상기 유전체층을 개재하여 상기 가동 전극에 대향하고, 상기 고정 전극은 3개 이상의 지지부를 더 갖고, 상기 지지부는 상기 기판 상에 형성된 절연층 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 고정 전극은 상기 가동 전극 상을 브릿지하는 브릿지부를 갖고, 상기 브릿지부는 상기 가동 전극과 대략 동일 형상이며 상기 유전체층을 개재하여 상기 가동 전극에 대향하고, 상기 고정 전극에 부착된 상기 유전체층도 상기 가동 전극을 브릿지하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정 전극은 복수의 층을 갖고, 상기 복수의 층은 인장 응력이 발생되는 층과 압축 응력이 발생되는 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체층은 산화 베릴륨, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 티탄산바륨, 티탄산마그네슘, 산화 티탄, 유리, 질화 실리콘으로 이루어지는 군으로부터 선택된어느 하나로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  24. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가동 전극은, 상기 유전체층과 상기 고정 전극 사이 또는 상기 유전체층과 상기 가동 전극 사이에 공기층이 개재되는 상태에서, 상기 고정 전극과 상기 유전체층과 상기 가동 전극이 접한 상태까지의 가동 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체층은 상기 고정 전극에 부착되며, 상기 유전체층과 상기 고정 전극은 이들을 관통하는 복수의 홀을 갖는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  26. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체층은 상기 고정 전극에 부착되며, 상기 가동 전극은 이것을 관통하는 복수의 홀을 갖는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 액추에이터는 4개인 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 개구를 갖고, 상기 개구의 위에 상기 고정 전극, 상기 가동 전극, 상기 유전체층 및 상기 압전 액추에이터가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 개구를 갖고, 상기 개구를 걸치도록 절연층이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터.
  30. 기판에 지지되는 캐패시터의 고정 전극 및 가동 전극을 형성하는 공정과, 상기 기판에 지지되며 상기 가동 전극을 구동하는 압전 액추에이터를 형성하는 공정과, 상기 고정 전극과 상기 가동 전극 사이에 배치된 유전체층을 형성하는 공정과, 상기 고정 전극과 가동 전극 중 어느 한쪽과 유전체층 사이에 간극을 형성하기 위한 희생층을 형성하는 공정과, 상기 희생층을 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터의 제조 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 희생층을 제거하는 공정 전에, 상기 희생층 상에 형성된 층에 에칭 홀을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터의 제조 방법.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 희생층을 형성하는 공정은, 상기 희생층을 상기 가동 전극 상에 형성하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터의 제조 방법.
  33. 제30항에 있어서,
    상기 희생층을 형성하는 공정은, 상기 희생층을 상기 유전체층 상에 형성하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터의 제조 방법.
  34. 제30항에 있어서,
    상기 희생층을 제거하는 공정 전에, 상기 희생층 상에 형성된 상기 유전체층 및 상기 고정 전극에 에칭 홀을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터의 제조 방법.
  35. 제30항에 있어서,
    상기 희생층을 제거하는 공정 전에, 상기 희생층 상에 형성된 상기 가동 전극에 에칭 홀을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터의 제조 방법.
  36. 제30항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판을 에칭하여 적어도 상기 가동 전극과 상기 압전 액추에이터에 대향하는 위치에 개구를 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터의 제조 방법.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘으로 형성되며, 상기 기판을 에칭하는 공정은, 에칭 가스로서 6불화유황을 이용하고, 상기 개구를 형성하기 위한 마스크로서 레지스트를 이용한 디프 리액티브 이온 에칭(DRIE)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터의 제조 방법.
  38. 제30항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 (100)면 또는 (110)면을 갖는 실리콘 기판이고, 상기 기판을 이방성 에칭하여 적어도 상기 가동 전극과 압전 액추에이터에 대향하는 위치에 개구를 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 캐패시터의 제조 방법.
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